理論視角解析石墨炔家族結構特性及其在能源、催化領域的應用進展

• 導讀

濟南大學的康寶濤教授和成均館大學的Jin?Yong Lee教授(韓國)在Chemical?Reviews期刊上合作發表了名為“Graphynes and Graphdiynes for Energy Storage and Catalytic Utilization: Theoretical Insights into Recent Advances”的綜述文章。在這篇綜述中，作者從理論化學家的角度總結和討論了基于石墨炔的材料的合成、結構特性和應用。

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• 成果掠影

在人類的歷史長河中，碳的同素異性體對人們生活的方方面面都有著卓越的貢獻。作為新興的碳基低維材料，以石墨二炔為代表的石墨炔家族（GYF）由于其優越的物理化學性能，具有廣泛的潛在應用。特別是石墨二炔(GDY)作為石墨炔家族的領頭羊，自首次成功合成以來，已被實際應用于各個研究領域。 GYF具有較大的表面積，既有sp也有sp2雜化，并有一定的帶隙。這些特性意味著基于GYF的材料仍有許多潛在應用有待開發，尤其是在儲能和催化利用方面。由于大部分 GYF 尚未合成，而已成功合成的 GYF 的應用研究也相對短缺，因此我們希望通過這篇綜述將各個應用領域的理論成果分享給實驗人員，以吸引對這一材料的更多的關注。

三、研究成果

石墨炔作為一種新興的碳基低維材料，由于其優異的物理和化學性質，在過去二十年中引起了廣泛關注。盡管 Baughman 等人在早在1987年就在理論上預測了這種由炔鍵 (─C≡C─) 連接的碳同素異形體的平面結構，但是石墨炔的實際合成一直是一個挑戰，主要是因為炔烴偶聯困難及其復雜的副反應。直到 2010 年，才成功合成了第一個具有兩個插入乙炔鍵的大規模石墨二炔薄膜。自此，石墨炔成為低維碳基納米材料家族中崛起迅速的新成員。合成石墨二炔的實驗技術可分為幾類：交叉偶聯，氣-液-固生長，化學氣相沉積，基材模板，控制釋放，新型雙電層受限策略和雙極電化學方法。同時，眾多理論研究通過各種方法，包括半經驗緊束縛計算，非平衡態格林函數法，分子動力學模擬，密度泛函理論計算，GW 近似方法，和機器學習方法等，用來預測和研究石墨炔家族成員的結構、電子、磁性和催化特性。理論預測結果顯示，石墨炔有著與石墨烯不同的物理和化學性質。石墨烯是自2004 年發現以來研究最頻繁的碳同素異形體之一，它是一種奇特的半金屬，在其布里淵區的 K(K') 點上有六個狄拉克點。跨越這些K點的完美線性能量色散保證了石墨烯的高電子遷移率特性；然而，其無帶隙的特性限制了其在電子設備開發中的潛在應用。與石墨烯相比，石墨炔家族成員的電子特性覆蓋了從金屬到半導體，帶隙可達到1.63 eV。石墨炔家族成員表現出的不同的物理和化學性質源于其同時具有sp-和sp²-兩種雜化的碳原子，而石墨烯的結構僅由sp²- 雜化的碳原子。這些特性使其可以通過氫化鹵化，摻雜和吸附等方式進一步優化。因此，石墨炔作為低維碳材料的應用領域更為廣泛。從理論結構預測到合成和潛在工業應用，關于石墨炔的出版物數量每年快速增加也證明了這點。

開發高效的產能和儲能材料以解決全球能源危機一直是研究的熱點。石墨炔是各種能源技術的理想材料候選者，包括電催化、光催化，太陽能轉換，儲氫，離子電池，超級電容器等等。然而，由于大部分理論預測的石墨炔家族成員尚未合成，石墨炔的材料在這些領域的研究仍處于起步階段。在這篇綜述中，作者首先詳細地討論了石墨炔的結構和電子性質，進而從性質出發對其在能源領域的潛在應用給出建議。之后，作者總結了近些年來基于石墨炔的材料在能源領域的應用的理論和實驗研究，特別是介紹了理論和實驗研究之間的相互印證。希望這篇從理論計算的角度系統論述了石墨炔的前世今生及其在儲能、能源轉化方面的應用的綜述研究可以給科研人員們在這一材料的開發上提供更多的思路和靈感。

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圖1?碳同素異性體的發展史

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圖?2 基于石墨炔材料的年文章數量。數據獲取于Web of Science.

原文詳情：Graphynes and Graphdiynes for Energy Storage and Catalytic Utilization: Theoretical Insights into Recent Advances

Hao Li, Jong Hyeon Lim, Yipin Lv, Nannan Li, Baotao Kang, and Jin Yong Lee

Chemical Reviews

DOI: 10.1021/acs.chemrev.2c00729

第一作者：

李浩，博士。2017年在青島大學獲得碩士學位，導師為傅愛萍教授。2021年在韓國成均館大學 Sungkyunkwan University (SKKU) 獲得博士學位，師從Jin?Yong Lee教授。目前是“SKKU?Science Fellow”項目的博士后研究員，研究方向為電化學催化，蛋白折疊以及基于人工智能的材料和藥物設計。

通訊作者：

康寶濤，濟南大學化學化工學院副教授。2008年本科畢業于山東大學學士學位，2013年于韓國成均館大學獲得博士學位，并先后于2013-2015和2020-2021期間于韓國成均館大學從事博士后和訪問學者（韓國國家研究財團“Brain Pool” Fellow）工作。他的研究領域是計算化學和材料，包括熒光探針、燃料電池、電池等，特別是多年來一直從事石墨炔材料方面的研究，揭示了其在催化和儲能方面的結構-效能關系。

李鎮勇（Jin Yong Lee），韓國科學技術院副院士，成均館大學終身教授。1997年8月畢業于韓國浦項工業大學，獲博士學位。1997年至2005年，先后赴加州大學伯克利分校、羅徹斯特大學、日本分子科學研究所等機構開展研究工作。2002年至2005年任教于韓國全南國立大學，后任教于成均館大學，并于2012年10月獲終身教職。2015年1月，當選韓國科學技術院副院士。李鎮勇教授長期從事功能材料、生物體系構效關系等體系的理論研究，已在國際一流期刊如 J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Comm.，Chem. Eur. J.，J. Phys. Chem., Phys. Chem. Chem. Phys. 等發表高水平SCI論文230篇，總引用次數高達7600余次，h-index 指數為47，多次受邀在國際大會上作報告。2005年8，亞洲化學學會聯合會授予其杰出青年化學家；2006年10，韓國化學會-Wiley 聯合會授予杰出青年學者；2011年9月，韓國化學會物理化學分會授予杰出青年物理學家；2012年1月，亞太理論與計算化學家協會授予Pople 勛章 。